基于无线传感器网络的智能家居安防系统设计
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作者:何云飞 王利松 陈黄立
摘要：传统的家居安防系统普遍采取模拟传输和数字硬盘录像机的控制方式，受技术水平限制，存在系统升级维护不 便、扩展性差、功能单一、结构复杂等问题，运行效果不理想。为建立舒适、安全、智能的生活空间，文章以基于无线传感 器网络的智能家居安防系统为切入点，阐述系统的关键技术，并提出该系统的实现路径，以供参考。
关键词：无线传感器网络;智能家居;安防系统
1 基于无线传感器网络智能家居安防系统的关键技术
1.1 短距离无线通信技术
智能家居安防系统具有终端节点密集分布、节点间距小的特征，常规无线通信技术的系统结构相对复 杂，技术应用价值也无法充分发挥。系统采用短距离 无线通信技术，包括红外技术、家庭无线电射频技术、蓝牙技术、ZigBee 技术、WiFi 技术等，工作频段、传输速 率、数据类型与最大功耗不一致，需要根据智能家居安 防系统的使用需求加以选择。例如，从控制系统建设维护成本角度出发时，选择采取功耗与成本较低的ZigBee 技 术，工 作 频 段为2.4GHz、传 输 速 率为0.25 Mbps、最大功耗仅为1 ～ 3 mW。对数据类型要求 严格的情况下，本研究采用WiFi 技术或家庭无线电射 频技术，数据类型包括数据、视频、音频 3 种。
1.2防入侵技术
防入侵技术是由红外入侵、声源定位两项子技术 组成，在智能家居安防系统中配置一定数量的热释电 红外传感器以及声音传感器，由传感器持续采集现场 监测信号，将现场信号上传至系统后台执行逻辑运算，从而判断是否出现人员入侵问题，跟踪监测入侵人员的位置、判定入侵人员数量、系统识别到特定电平信号 后控制蜂鸣器发出警示音[1]。
红外入侵技术是在门窗部位设置传感器，当传感 器监测到周边环境中出现温度较高物体时，晶体温度 随之改变，产生热释电反应，释放特定波长的红外线与输出高电平信号。芯片在识别到高电平信号后发送报 警信号，将相关信息发送至上位机观察者。由于热释 电红外传感器常出现误报问题，红外入侵技术组合应 结合其他防入侵技术，系统接收到多份传感器报警信 号后再启动系统报警流程[2]。
声源定位技术是在房间内部四周布置若干声音传 感器，持续收集现场监测信号，判定周边环境声音为人为声源或是自然声源，判定为人为声源后，采取到达时间差法或双曲线定位法，建立声源定位几何模型，自动 计算声源坐标值，持续锁定声源位置。同时，为提高监 测精度，设计人员可选择在系统中设置多处锚节点，保 持全部锚节点间的协调状态。
1.3 火灾监测技术
在智能家居安防系统中设置若干一氧化碳、二氧化碳、可燃气体与温湿度传感器，同时采集现场的空气 组分含量、环境温度、空气湿度等参数，实时对比现场 监测参数与预设指标警戒值。如果智能家居安防系统 检测到参数超限情况，系统可以自动发送报警信号，并 锁定火势蔓延范围、评估烟雾浓度与空气质量。
火灾监测子系统运行面临易受外部噪声干扰和传 感器数据不一致的技术难题，在系统应用中要组合应用滤波技术与多传感器数据融合技术。其中，滤波技 术是在系统中设置高斯滤波器、卡尔曼滤波器与滑动平均滤波器，负责过滤所采集现场监测信号中夹杂的高斯噪声、消除观测值随机干扰量和执行滑动平均滤 波操作，以消除误差，提高火灾监测精度。多传感器数据融合技术是在智能家居安防系统中采取加权平均、Bayes 推理、神经网络等随机类与人工智能类算法，对多个传感器采集的现场监测信号进行交、并运算处理，从中提取传感器的冗余信息和互补信息，强化系统的容错性、实时性、互补性和扩大实际探测范围[3]。
1.4 嵌入式技术
为提高家居安防系统的智能化程度，设人员使 家居安防系统具备模拟人类思维方式、自主感知环境 情况与输出控制指令的功能作用，要在系统中应用嵌入式技术。在系统后台或建筑室内环境中安装智能网 关等设备，嵌入特定对象体系中，完成现场监测信号的转换、分类整理、逻辑运算、控制指令输出、反馈评估等 任务，这一系统可视为智能家居安防系统的“大脑”，将 无线通信网络视为智能家居安防系统的“神经”，现场 传感器与控制器视为系统的“感知器官”。
现阶段，常用的系统嵌入设备为智能网关，智能网关作为一种网络设备，有支持虚拟网络接入、有线宽带 接入、局域网内设备信息采集、信息输出、远程控制与联动控制等使用功能。例如：智能网关具备故障自诊、主动上报功能，通过获取并分析本地各测量点的最新数据。当检测到异常数据时，智能网关根据异常状况 前后一段时间的变化情况来判断故障类型、分析问题成因，并以发送故障码、发送报警信号、控制广播通信系统播报等方式主动上传，这也是实现智能家居安防系统自控目标的关键[4]。
2基于无线传感器的智能家居安防系统实现路径
2.1 确定系统总体架构
从智能家居安防系统的用途角度来看，该系统主要以人员入侵、火灾监测作为系统防范对象，需就此设计系统总体架构。该系统可选择应用ZigBee 技术来建 立树形拓扑系统架构。系统结构由远程客户端、用户 手机端、家庭网关装置、协调器与路由器节点、传感器 节点、终端执行机构等部分组成。这类系统有优异的结构部署能力与规模伸缩能力，将系统结构划分为3个层级，从上至下分别为协调器层、节点层与执行机构 层。协调器层负责执行数据交互操作与网络管理任 务，节点层负责持续采集并上传现场监测信号以及向 终端执行机构传达控制指令，执行机构层负责执行协 调器层向下传达的控制指令，如启动排风扇。
2.2服务器端软件设计
在服务器端软件设计环节，根据系统使用需求，设计人员可选择设计 PC 端或 Android 端，分别使用C#语言和Java语言开展软件编程工作。其中，PC 端软件有使用灵活、数据采集流程简单的特征，由传感器持续采 集现场检测信号，通过ZigBee 协议将现场信号上传至 协调器，再由协调器通过RS232 芯片将数据处理结果 上传至 PC 端加以显示。用户可以直接在数据采集流 程中使用串口控件来读取实时信息。PC 端软件有着 需要准确设置 BaudRate 等属性参数、易出现串口堵塞与数据包读取不全问题的局限性。在软件设计环节，设计人员可采取增设ZedGraph图表控件、设置线程休 眠触发程序等措施来解决这类问题。Android 端软件有着可直接运行 Android 生态环境中已开发应用程序、服务器端自身具备通信供暖与安卓设备数据传输功能的优势，但服务器端的限制条件较多，包括在缓冲区数据过多时易造成数据包不完整和部分数据丢失、必须设置路由器网关、套接字创建流程烦琐、自身不具备图表控件等，要采取相应设计措施弥补服务器端短板，如 手动下载 AcharyEngine 开源图标库，使服务器端支持 各类图表的数据显示。
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